缸內直噴技術的應用

吳　堅　劉巨江　林思聰　李鈺懷（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院　廣東　廣州　511434）

缸內直噴技術的應用

吳堅劉巨江林思聰李鈺懷
（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院廣東廣州511434）

摘要：以一臺1.5TGDI發動機為研究對象，介紹了缸內直噴技術在發動機上的應用情況，缸內直噴技術可以改善燃油經濟性、提高扭矩功率輸出、降低排放水平。

關鍵詞：缸內直噴掃氣兩次噴射起燃

引言

隨著排放與油耗法規的日益嚴格，渦輪增壓缸內直噴發動機小型化技術受到各主機廠的重視[1]，配合可變氣門正時技術（VVT），可以顯著提高發動機的動力性與燃油經濟性[2]。直噴技術可以通過燃油蒸發時的氣化潛熱來降低缸內溫度，抑制了爆震的發生，因此可以進一步提高壓縮比。高壓縮比、高增壓成為當今直噴發動機研究的熱點[3]。

1　研究對象

研究對象為廣汽研究院自主開發的1.5TMPI與1.5TGDI兩款發動機。

GDI發動機相對MPI發動機變化點如下表所示。

表1　GDI發動機相對MPI發動機的變化點

2　燃油經濟性提升

中小負荷工況采用較小的軌壓進行燃油單次噴射，減小高壓油泵消耗的扭矩。GDI發動機活塞表面的凹坑設計，減少了小負荷工況燃燒初期由活塞帶走的熱量，加上壓縮比的提高，提高了熱效率。大負荷工況采用較大的軌壓并進行兩次噴射，噴射起始相位控制在進氣沖程初期活塞下行至60°CA時，由于噴油結束相位距離壓縮上止點較遠，有充足的時間讓燃油蒸發汽化以及完成油氣混合，在缸內形成均質的混合氣[4]。燃油蒸發汽化時吸收熱量降低了缸內溫度，對爆震產生了抑制作用。因此可以采用較大的點火提前角，提高燃油經濟性，而且負荷越大，噴出的燃油越多，蒸發吸熱效果越明顯，油耗降低幅度越大。油耗改善效果如圖1所示，在2000 r/min、1.7MPa BMEP時，燃油消耗率下降25 g/（kW·h），經濟性改善達9.2%。

3　動力性提升

全負荷工況為了實現大扭矩高功率輸出，適當提高了進、排氣凸輪包角，同時采用了更大壓氣機尺寸的渦輪增壓器，以達到提高增壓壓力增加進氣量的目的。

3.1低速扭矩改善

由于采用了較大尺寸的渦輪增壓器，轉動慣量的增加使得在低轉速段會出現渦輪轉速偏低增壓壓力不足的情況。為了提高低轉速段扭矩，進氣門盡量提前開啟，排氣門盡量延遲關閉，使得進、排氣門重疊角非常大。在氣門疊開期間，由于進氣道壓力比排氣道壓力高，實現了掃氣功能，可由新鮮空氣將缸內殘余廢氣掃出燃燒室，甚至有部分新鮮空氣直接排出氣缸進入到排氣歧管。這部分新鮮空氣在排氣岐管匯合處中與其他缸排出的廢氣混合在一起，進行了氧化反應放出熱量，進一步提高了進入渦輪的排氣能量，從而能提高渦輪轉速與增壓壓力，最終提高了發動機的充氣效率與扭矩。

采用燃油兩次噴射策略，噴射起始相位在進氣沖程初期活塞下行至60°CA時，這部分燃油的飛行方向與進氣滾流運動方向相同，對缸內滾流運動起到了很大的加強作用。配合高滾流的進氣道設計，在進氣沖程產生了非常強烈的滾流運動，滾流可以較好地保持到壓縮上止點，并在壓縮上止點時破碎為眾多小尺度的渦，能夠極大地提高湍動能[5]，提高火焰傳播速度，如圖2所示，燃燒持續期縮小1°CA至4°CA。同時噴射到缸內的燃油蒸發吸熱，依據燃料的蒸發汽化潛熱推算缸內氣體溫度下降約21℃，對爆震產生了明顯抑制作用，可以采用較大的點火提前角。從而也大大地提高了熱效率。

如圖3所示，在1000 r/min至1500 r/min，GDI發動機充氣效率明顯高于MPI發動機的充氣效率。尤其是1000 r/min，采用掃氣功能的GDI發動機的充氣效率比MPI發動機的充氣效率高出25.5%，扭矩高出46 N·m；而1250 r/min時，充氣效率高出14%，扭矩高出66 N·m。受益于掃氣功能的作用，GDI發動機的最大扭矩對應轉速可以下降至1250 r/min。當發動機轉速為1700 r/min時，輸出扭矩可達到260 N·m。

圖3　低轉速扭矩與充氣效率

3.2高速功率提升

由于采用了較大的渦輪增壓器，因此在發動機高轉速段增壓器的增壓壓力得到提升，5000 r/min時由0.189MPa提高至0.209MPa，配合進、排氣凸輪包角的加大，帶來了進氣量的明顯提升，5000r/min時由419 kg/h增加至464 kg/h，增加了10.7%，如圖4所示。

圖4　高轉速進氣壓力與進氣量

在額定功率轉速，采用燃油單次噴射策略，噴射起始相位在進氣沖程初期活塞下行至40°CA時，通過對油束落點進行優化設計，保證了油束不會碰到缸套與活塞表面，避免造成機油稀釋與碳煙的生成。由于油氣混合有較充足的時間可在缸內形成均質的混合氣。

4　排放性提升

在催化器起燃工況下采用排氣門提前關閉，進氣門推遲開啟的控制策略，排氣門提前開啟可以減少工質膨脹做功，提高排氣能量，從而提高排氣溫度；進氣門推遲開啟，配合排氣門關閉正時，減小了進、排氣門重疊角可以最大程度減小內部EGR，提高燃燒穩定性，從而可以采用非常遲的點火正時。

采用兩次燃油噴射，第一次燃油噴射在壓縮沖程初期，在缸內形成較稀的均質混合氣，可以減少HC排放；第二次燃油噴射在做功沖程靠近壓縮上止點附近，噴油結束相位距離壓縮上止點70°CA，噴出40%的燃油，這部分燃油噴出時活塞距離上止點的距離較小，噴出的油霧落在活塞上面的凹坑，并反射至火花塞附近，在火花塞附近形成較濃的混合氣，使得火花塞跳火時可以可靠點燃混合氣，并快速燃燒掉火花塞附近的較濃混合氣。隨著活塞下行逐漸燃燒較稀的混合氣，因此可以最大限度地推遲點火角而不至于使發動機熄火[6]。

由于點火正時極其靠后，且排氣門開啟提前，燃燒后的高壓氣體用于膨脹做功的部分非常少，絕大部分能量都通過排氣排出汽缸，因此需要加大進氣量以獲得足夠維持發動機運轉的能量，同時也帶來了更加多的排氣能量；這樣的雙重作用更加提高了排氣熱通量，加速了催化器起燃。

臺架試驗結果顯示，在1200（r·min-1）/100 kPa的催化器起燃工況下，HC的濃度為359×10-6，HC的排放量僅為4.75 g/（h·L），而排氣溫度為878℃，催化器中心溫度為757℃，熱通量達到6.26 kW/L。

5　結論

GDI發動機相對MPI發動機可以改善燃油經濟性、提高扭矩功率輸出、降低排放水平。

對于小負荷工況燃油經濟性的提升主要在于壓縮比提高帶來熱效率的提高以及活塞表面凹坑設計對燃燒初期熱量損失的減少作用。對于中大負荷工況燃油經濟性的提升主要依靠缸內燃油蒸發汽化吸收熱量，降低了缸內溫度，對爆震產生抑制作用，因此可以采用較大的點火提前角，提高燃油經濟性。

低速扭矩的提升得益于掃氣功能的實施，掃除缸內殘余廢氣，降低缸內溫度，可以提高充氣效率；同時油霧飛行方向配合高滾流進氣道設計，提高了缸內滾流運動，加上更加明顯的蒸發汽化吸熱效果，大大提高了燃燒放熱效率。高速功率提高主要依靠凸輪包角的加大與渦輪增壓器的加大，大大提高了進氣量。

排放的改善主要利用兩次噴射分層燃燒帶來燃燒穩定性的提高與點火提前角的推遲，使排氣熱通量明顯提升、排放量明顯下降。

參考文獻

1王建昕，王志.高效清潔車用汽油機燃燒的研究進展[J].汽車安全與節能學報，2010，1（3）：167～178

2Chen Yang，Yuan Shen，YiYou，etal.Effortson fueleconomy improvement of 1.3L TGDI gasoline engine[C].Proceedings of the FISITA 2012World Automotive Congress, Lecture Notes in Electrical Engineering，2013，189：135~ 146

3崔亞彬，張春輝，饒良武，等.基于LIVC及雙VVT技術的增壓直噴汽油機高壓縮比節油技術研究[C].中國內燃機學會燃燒凈化節能分會2013年學術年會.保定：中國內燃機學會燃燒節能凈化分會，2013

4信曦，丁寧，張小矛，等.二次噴射對直噴增壓汽油機油氣混合與燃油濕壁影響的研究 [C].中國內燃機學會燃燒凈化節能分會2013年學術年會.保定：中國內燃機學會燃燒節能凈化分會，2013

5周龍保.內燃機學（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2005

6王新顏，謝輝，李之華，等.凹坑活塞設計對直噴汽油機缸內油氣混合及分布影響的仿真研究[C].中國內燃機學會燃燒凈化節能分會2013年學術年會.保定：中國內燃機學會燃燒節能凈化分會，2013

中圖分類號：TK417+.11

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0054-03

收稿日期：（2015-03-06）

作者簡介：吳堅（1967-），男，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為發動機燃燒。

The Application of Gasoline Direct Injection Technology

Wu Jian，Liu Jujiang，Lin Sicong，LiYuhuai
GACAutomotive Engineering Institute（Guangzhou，Guangdong，511434，China）

Abstract：In this paper，the application of gasoline direct injection（GDI）technology is presented based on the research on a 1.5TGDIengine.GDI technology can improve the fuel economy，torque and power，and reduce theemission.

Keywords：GDI，Scavenging，Twin injection，Lightup